👲 👶🏽 ✒️ خمسة توقعات كبرى للتضخم في الفضاء 👻 🐞 👩🏼‍🚀

لم تعد هذه نظرية مضاربة ، حيث تم تأكيد أربعة منها.

يجب أن تكون الأفكار العلمية بسيطة وتفسيرية وتنبؤية. وبقدر ما نعلم اليوم ، لا تمتلك الأكوان المتعددة التضخمية مثل هذه الخصائص.
- بول ستينهارت ، 2014

عند التفكير في الانفجار الكبير ، نتخيل نقطة البداية للكون: حالة ساخنة وكثيفة ومتنامية نشأ منها كل شيء. بعد ملاحظة وقياس التمدد الحالي للكون - المجرات المنتشرة عن بعضها البعض ، لا يمكننا تحديد مصير الكون فحسب ، بل أيضًا بدايته.

ولكن هذه الحالة الحارة والكثيفة وحدها محفوفة بالعديد من الأسئلة ، بما في ذلك:

• لماذا تكون مناطق الكون النائية المختلفة ، التي لا يمكنها تبادل المعلومات منذ البداية ، مليئة بنفس كثافة المادة والإشعاع من نفس درجة الحرارة؟

• لماذا سينهار الكون إذا كان فيه محتوى أكثر ، أو توسع إلى حالة عدم الوجود ، إذا كان هناك محتوى أقل ، فهل هو متوازن تمامًا؟

• وأين ، إذا كان الكون في حالة حارة وكثيفة جدًا ، فكل هذه الجسيمات عالية الطاقة (مثل الأقطاب المغناطيسية المغناطيسية) التي من السهل نظريًا اكتشافها اليوم؟

تم العثور على إجابات للأسئلة في أواخر عام 1979 ، أوائل عام 1980 ، عندما طرح آلان جوت نظرية التضخم الكوني.

قبول أن الانفجار العظيم سبقته حالة لم يكن الكون مليئًا بالمادة والإشعاع ، ولكن فقط بكمية كبيرة من الطاقة الكامنة في الكون نفسه ، تمكن جوت من حل جميع هذه المشاكل. بالإضافة إلى ذلك ، في عام 1980 حدثت تطورات أخرى جعلت من الممكن العثور على فئات جديدة من النماذج التي تساعد النماذج التضخمية على إعادة إنتاج كون اليوم:

• مليئة بالمادة والإشعاع ،
• متناحي (نفس الشيء في جميع الاتجاهات) ،
• متجانس (نفس الشيء في جميع النقاط) ،
• ساخنة وكثيفة ومتوسعة في الحالة الأولية.

تم تطوير هذه النماذج من قبل Andrey Linde و Paul Steinhart و Andy Albrecht ، وتم وضع تفاصيل إضافية من قبل Henry Tye و Bruce Allen و Alexey Starobinsky و Michael Turner و David Schramm و Rocky Kolb وغيرهم.

وجدنا شيئًا رائعًا: فئتان من النماذج المعممة أعطتنا كل ما نحتاجه. كان هناك تضخم جديد ، مع احتمالية الاستقرار في القمة ، والتي يمكن أن ينزلق منها حقل التضخم ببطء إلى القاع ، وكان هناك تضخم فوضوي مع إمكانات على شكل حرف U ، والتي يمكن أن تتدحرج ببطء أيضًا.

في كلتا الحالتين ، توسعت المساحة بشكل كبير ، واستقامة ، كانت خصائصها هي نفسها في كل مكان ، وعندما انتهى التضخم ، عادت إلى عالم مشابه جدًا لكوننا. بالإضافة إلى ذلك ، تلقيت خمسة تنبؤات إضافية ، وملاحظات لم تكن في ذلك الوقت بعد.

1) الكون المسطح. في أوائل الثمانينيات ، أكملنا مسحًا للمجرات والمجموعات المجرية ، وبدأنا نفهم البنية الواسعة النطاق للكون. بناءً على ما رأيناه ، تمكنا من قياس مؤشرين:

• الكثافة الحرجة للكون ، أي كثافة المادة ، اللازمة لتحقيق التوازن المثالي للكون بين التراجع والتوسع الأبدي.
• الكثافة الفعلية للمادة في الكون ، ليس فقط المادة المضيئة والغاز والغبار والبلازما ، ولكن جميع المصادر ، بما في ذلك المادة المظلمة ، التي لها تأثير جاذبية.

وجدنا أن المؤشر الثاني تراوح من 10٪ إلى 35٪ من الأول ، اعتمادًا على مصدر البيانات. وبعبارة أخرى ، كانت المسألة في الكون أقل بكثير من الكمية الحرجة - مما يعني أن الكون مفتوح.

لكن التضخم توقع الكون المسطح. إنها تأخذ الكون من أي شكل وتمدده إلى حالة مسطحة ، أو على الأقل إلى حالة لا يمكن تمييزها عن حالة مسطحة. حاول الكثير من الناس بناء نماذج تضخم أعطت الكون انحناءًا سلبيًا (مفتوحًا) ، لكنها لم تنجح.

مع ظهور عصر الطاقة المظلمة نتيجة لرصد السوبرنوفا في عام 1998 ، متبوعًا بجمع البيانات في مشروع WMAP ، الذي تم إصداره لأول مرة في عام 2003 (وبيانات من مشروع بوميرانج ، صدر قبل ذلك بقليل) ، توصلنا إلى استنتاج مفاده أن الكون مسطح بالفعل وكان سبب انخفاض كثافة المادة هو وجود هذا الشكل الجديد غير المتوقع من الطاقة.

2) يمكن أن يتغلب الكون ذو التقلبات على نطاق أكبر من الضوء. إن التضخم - الذي يتسبب في اتساع مساحة الكون بشكل كبير - يؤدي إلى تضخيم ما يحدث على نطاقات صغيرة جدًا ، إلى نطاقات كبيرة جدًا. الكون اليوم لديه عدم اليقين المتأصل على المستوى الكمي ، والتقلبات الصغيرة في الطاقة بسبب مبدأ عدم اليقين Heisenberg.

ولكن خلال التضخم ، كان من المفترض أن تمتد هذه التقلبات الصغيرة في الطاقة عبر الكون بأكمله إلى مقاييس مجهرية عملاقة ، وتمتد على طوله بالكامل! (بشكل عام ، وأكثر من ذلك ، حيث لا يمكننا ملاحظة أي شيء يقع خارج الكون المرئي).

ولكن بالنظر إلى تقلبات إشعاع الإشعاع CMB على أوسع نطاق ، والذي يمكن أن يفعله مشروع COBE إلى حد ما في عام 1992 ، وجدنا هذه التقلبات. ومع النتائج المحسنة من WMAP ، تمكنا من قياس حجمها ورؤية أنها متسقة مع توقعات التضخم.

3) كون مع تقلبات أديباتية ، أي مع إنتروبيا متطابقة عالميا. يمكن أن تكون التقلبات مختلفة: ثابت الحرارة أو انحناء ثابت أو خليط من كلا النوعين. توقع التضخم تقلبات أديباتية بنسبة 100 ٪ ، مما يعني وجود معلمات CMB محددة جيدًا يمكن قياسها في WMAP ، وهياكل واسعة النطاق تقاس في 2dF ومشاريع SDSS. إذا كان الإشعاع الناتج والتقلبات واسعة النطاق مرتبطة ببعضها البعض ، فهي ثابتة ، وإذا لم تكن كذلك ، فيمكن أن تكون انحناءًا ثابتًا. لو كان للكون مجموعة مختلفة من التقلبات ، لما عرفنا ذلك حتى عام 2000!

لكن هذه النقطة تم اعتبارها أمرا مفروغا منه ، بفضل بقية نجاح نظرية التضخم ، لدرجة أن تأكيدها لم يلاحظه أحد تقريبا. لقد كان مجرد تأكيد لما نعرفه بالفعل ، على الرغم من أنه في الواقع كان ثوريًا مثل أي شخص آخر.

4) كون يكون فيه طيف التذبذب أصغر قليلاً من طيف المقياس الثابت (n _s <1). هذا تنبؤ خطير! بطبيعة الحال ، يتنبأ التضخم بشكل عام بأن التقلبات يجب أن تكون ثابتة على نطاق واسع. ولكن هناك مشكلة أو توضيح: شكل إمكانات التضخم يؤثر على كيفية اختلاف طيف التقلبات عن الثبات المثالي.

تنبأت نماذج العمل المكتشفة في الثمانينيات من القرن الماضي بأن طيف التذبذب (المؤشر الطيفي العددي ، n _s) يجب أن تكون أقل بقليل من 1 ، في مكان ما بين 0.92 و 0.98 ، اعتمادًا على الطراز المستخدم.

عندما تلقينا بيانات الرصد ، وجدنا أن الكمية المقاسة ، n _s ، تبلغ حوالي 0.97 ، مع وجود خطأ (وفقًا لقياسات CMB بواسطة مشروع BAO) يبلغ 0.012. وقد لوحظت لأول مرة في WMAP ، ولم يتم تأكيد هذه الملاحظة فحسب ، بل تم تعزيزها أيضًا بمرور الوقت من قبل الآخرين. إنها بالفعل أقل من الوحدة ، والتضخم فقط هو الذي جعل هذا التنبؤ.

5) وأخيرًا ، الكون ذو طيف معين من تقلبات موجات الجاذبية. هذا هو التوقع الأخير ، وهو التوقع الرئيسي الوحيد الذي لم يتم تأكيده بعد. تنتج بعض النماذج - على سبيل المثال ، نموذج التضخم الفوضوي في Linde - موجات جاذبية واسعة النطاق (كان يجب ملاحظة مثل هذه الموجات بواسطة BICEP2) ، بينما يمكن لنماذج أخرى ، مثل نموذج Albrecht-Steinhardt ، إنتاج موجات جاذبية صغيرة جدًا.

نحن نعرف نوع الطيف الذي يجب أن يكون لديهم ، وكيف تتفاعل هذه الموجات مع التقلبات في استقطاب إشعاع CMB. عدم اليقين هو فقط في قوتها ، والتي قد تكون صغيرة جدًا على الملاحظة ، اعتمادًا على نماذج التضخم الصحيحة.

فكر في الأمر في المرة القادمة التي تقرأ فيها مقالًا حول الطبيعة المضاربة لنظرية التضخم ، أو كيف يشك أحد مؤسسي النظرية في صحتها. نعم ، يحاول الناس إيجاد ثقوب في أفضل النظريات والبحث عن بدائل. نحن العلماء نفعل ذلك.

لكن التضخم ليس نوعًا من الوحوش النظرية ، المنفصلة عن الملاحظات. لقد قدمت خمسة تنبؤات جديدة ، أكدنا أربعة منها! ربما تكون قد تنبأت بأشياء لا نعرف حتى الآن كيفية اختبارها ، مثل الأكوان المتعددة ، ولكن هذا لا يسلبها نجاحاتها.

لم تعد نظرية التضخم الكوني مضاربة. بفضل ملاحظات الإشعاع المتراكم والهياكل واسعة النطاق للكون ، تمكنا من تأكيد تنبؤاته. هذه هي أول الأحداث التي حدثت في عالمنا. حدث التضخم الكوني قبل الانفجار العظيم وأعد كل شيء لمظهره. وربما لا يزال بإمكاننا تعلم الكثير بفضلها!

خمسة توقعات كبرى للتضخم في الفضاء

لم تعد هذه نظرية مضاربة ، حيث تم تأكيد أربعة منها.

More articles: